一种NI系无缝钢管及其制造方法.pdf

一种镍系无缝钢管，其组分的重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.35～0.60％，Ni：3.20～3.80％，Cu：0.01～0.3％，Mo：0.01～0.4％，Ti：0.001～0.05％，V：0.01～0.1％，Al：0.005～0.039％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，O：≤0.01％，N：≤0.004％，Ca/S≥1，其余为Fe和不可避免的杂质。镍系无缝钢管的制造方法包括：由连铸或连轧得到的管坯在1180～1280℃加热；在950～1050℃轧管，脱棒；进入再加热炉，在850～1000℃保温；进行轧制后空冷，冷却速度为10～30℃/分；在800～900℃保温进行正火；在600℃～700℃保温进行回火；制成成品管。该镍系无缝钢管可用于在-80℃～-101℃低温、同时含有甲醇等腐蚀介质条件下，冲击韧性≥18J的压力容器。

1.  一种镍系无缝钢管，其组分的重量百分比为：
C：0.05～0.15％
Si：0.20～0.35％
Mn：0.35～0.60％
Ni：3.20～3.80％
Cu：0.01～0.3％
Mo：0.01～0.4％
Ti：0.001～0.05％
V：0.01～0.1％
Al：0.005～0.039％
P：≤0.015％
S：≤0.008％
O：≤0.01％
N：≤0.004％
Ca/S≥1
其余为Fe和不可避免的杂质。

2.  根据权利要求1所述的镍系无缝钢管，其特征在于，其组分还包括重量百分比计的Nb：0.01～0.05％，Cr：0.009～0.03％中的一种或两种。

3.  权利要求1或2所述的镍系无缝钢管的屈服强度为350Mpa以上，-100℃低温韧性≥18J。

4.  权利要求1～3中任一项所述的镍系无缝钢管，用于压力容器。

5.  权利要求4所述的镍系无缝钢管，用于-80℃～-101℃低温，同时含有甲醇等腐蚀介质条件下，冲击韧性≥18J的压力容器。

6.  一种镍系无缝钢管的制造方法，依次包括如下步骤：
a.由连铸或连轧得到的管坯在1180～1280℃加热；
b.在950～1050℃轧管，脱棒；
c.进入再加热炉，在850～1000℃保温；
d.进行轧制后空冷，冷却速度为10～30℃/分；
e.在800～900℃保温进行正火；
f.在600℃～700℃保温进行回火；
制成成品管。

7.  根据权利要求6所述的镍系无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述的管坯在环形加热炉加热。

8.  根据权利要求6所述的镍系无缝钢管的制造方法，其特征在于，在进行b步骤前，使所述管坯经奥氏体化后，经穿孔机穿孔。

9.  根据权利要求6所述的镍系无缝钢管的制造方法，其特征在于，经c步骤加热保温后的管坯在所述d步骤中，进入张力减径机或延伸机进行轧制。

一种Ni系无缝钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其是一种Ni系无缝钢管及其制造方法，特别是在-80℃～-101℃低温、同时含有甲醇等腐蚀介质条件下，冲击韧性≥18J的压力容器用Ni系无缝钢管及其制造方法。
背景技术
目前，国内乙烯裂解装置在-80～-101℃的作业条件下需用的Ni系无缝钢管，由于其在一套裂解装置上用量少，规格多，即使进口，采购上也比较困难，而国内同类产品低温韧性不稳定，因此，一般采用TP304等不锈钢管替代。
随着石化乙烯裂解装置向大型化和高载荷方向发展，因TP304的屈服强度低，需要增加壁厚来保证其屈服强度，降低了设备的热交换效率，因此使用具有优良低温韧性的3.5％Ni无缝钢管就显得具有优势。由于3.5％Ni无缝钢管属附加值高的产品，产品开发及生产工艺比较成熟的无缝钢管制造厂家均在国外，如日本住友钢管的成分为：C 0.055、Si 0.18、Mn 0.56、P 0.009、S 0.005、Cr 0.04、Ni 3.58、Mo 0.11、V＜0.01、Ti＜0.01、Nb＜0.01、Al 0.040(注：这是对产品实物进行剖析的实测结果)。
国内只有成都无缝能生产，但因产品研发初期低温冲击韧性不稳定，因此，一直未被应用于-80℃～-101℃石化低温装置上。低温装置用无缝钢管在使用过程中出现的诸如采购问题和降低热效率问题给石化行业生产带来相当的不便并造成了一定的经济损失。
低温用3.5％Ni无缝钢管的生产难度在于其对低温冲击韧性要求很高，这就决定了对钢的化学成分、纯净度、轧制技术和热处理制度都提出了很高的要求。
影响材料低温韧性的主要因素有碳当量、夹杂物数量和形态、金相组织和偏析以及硬度等。碳当量越高、夹杂物越多且形态越不规则、偏析越严重、硬度越高、金相组织越复杂，其低温性能越差。
夹杂物的数量和形态可以通过冶炼和钙处理来控制，硬度和偏析一般需要通过降低碳当量来控制。但是随着碳当量的降低，材料的强度也会降低。为保证在低碳当量的条件下得到足够的强度，在低温用钢板生产中，可以通过控轧控冷(TMCP)的方式，利用形变强化来提高强度。但是在无缝钢管的生产中，由于最后的成品轧机变形量很小，所以不能完全依靠TMCP方式提高产品强度。为保证强度，需提高材料的碳当量，一旦提高了碳当量，很难保证焊后低温韧性。为解决这一问题，国内有的厂家曾尝试通过淬火+亚温淬火+回火热处理的方式生产钢板。采用了这种热处理方式后，可以采用低碳当量的材料，而且热处理后，材料的组织均匀性有了很大的提高，从而保证材料具有较高的强度和低温冲击韧性。
但是钢管轧后再进行淬火+亚温淬火+回火的热处理，相对于正火+回火而言，增加了组织生产的难度，增加了生产成本，不仅给生产带来一定的困难，而且会降低产品的市场竞争力。
中国专利申请200410037809.8钢，属于焊接材料领域，特别适用于焊接屈服强度大于780MPa级的钢所用，具有良好低温韧性和较高强度的电焊条。该电焊条主要通过加入Ni和Cu来保证电焊条具有良好低温韧性和较高强度，采用该电焊条进行焊接时，能有效地提高熔敷金属的屈服强度和低温韧性，具有优良的综合力学性能。
日本专利申请特开昭63-130245A钢，为了保证Ni系钢板在低温钢板中心部位具有优良的韧性，通过一块有特殊化学组成的板及等结晶的速率铸造，通过控制P的超低含量，然后热卷和热处理，从而保证低温条件下钢板的高效安全性。它完全依靠工艺装备的性能来保证钢板中心部位的低温韧性，宝钢现有炼钢装备不具备这种冶炼低P钢的生产条件，而且因钢中微量元素不多，在现有轧管装备条件下，很难控制细晶粒及带状组织。而且生产钢板可采用控轧控冷的方法来保证性能，而制管的最后一道工序是张减，变形量相对轧板小，达不到轧板的控轧控冷的水平。换言之，这个成分在宝钢现有装备条件下，不具备轧管条件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低温用无缝钢管新钢种及其制造方法，该钢种的C、Si、Mn、P、S、Ni元素的含量满足标准要求，所添加的V、Nb、Cu、Al等微量元素有别于住友产品；在钢管轧制后不需要淬火+亚温淬火+回火热处理，而是在轧制过程中，控制终轧温度，控制冷却速度，产品经正火+回火处理后可以保证无缝钢管屈服强度达到350Mpa以上，同时又能满足-100℃低温韧性≥18J的要求，而且具有良好的焊接性能。
本发明的Ni系无缝钢管，采用以下成分(wt％)：
C：0.05～0.15％
Si：0.20～0.35％
Mn：0.35～0.60％
Ni：3.20～3.80％
Cu：0.01～0.3％
Mo：0.01～0.4％
Ti：0.001～0.05％
Al：0.005～0.039％
V：0.01～0.1％
P：≤0.015％
S：≤0.008％
O：≤0.01％
N：≤0.004％
钢在冶炼中经过钙处理，Ca/S≥1
其余为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的Ni系无缝钢管，还可以在上述成分的基础上添加Nb：0.01～0.05％，Cr：0.009～0.03％中的一种或两种。。
本发明的Ni系无缝钢管的制造方法，依次包括如下步骤：
由连铸或连轧得到的管坯在1180～1280℃经环形加热炉加热后，使管坯经奥氏体化后，得到均匀细小的单相奥氏体组织，奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，具有面心立方晶格，其塑性好，容易变形。在单相组织条件下，经穿孔机穿孔，然后在950～1050℃轧管，脱棒后进入再加热炉，在850～1000℃保温后，进入张力减径机或延伸机轧制后空冷，需控制冷却速度，控制范围温降速度为10～30℃/分，在800～900℃保温进行正火，然后在600℃～700℃保温进行回火制成成品管。
本发明的钢种，在现有装备条件下组织生产，有着较高的组织稳定性，可以保证钢管在正火+回火条件下晶粒度在10级以上，带状组织小于2.5级，屈服强度在350Mpa以上，完全能满足在-80℃～-101℃低温下所需要的韧性要求。
根据本发明的Ni系无缝钢管的特点是：
C：0.05～0.15％(wt％，以下各元素相同)，C为碳化物形成元素，对于一般结构钢，适当增加含碳量可以提高钢的强度，降低含碳量能明显改善钢管的制造工艺性，含量太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的低温韧性，同时也会降低钢的焊接性能。
Si：0.20～0.35％，主要是通过固溶于铁素体内能显著强化铁素体，提高钢的强度，Si含量过高时将降低钢的低温韧性，并使韧性-脆性转变温度升高。
Mn：0.35～0.60％，Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的强度，含量小于0.35％时作用不明显，含量超过0.60％时，组织偏析倾向加重，影响组织的均匀性，从而降低低温韧性。
Mo：0.01～0.4％：主要是通过形成碳化物及固溶强化的形式来提高钢的强度，含量过高会降低钢的韧性和焊接性能。
V：0.010～0.100％，主要起沉淀强化作用，并能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。适当的含钒量，还可以改善钢的可焊性和冶炼工艺性，但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了。
Ti：0.001～0.050％，能产生沉淀强化和细化晶粒作用，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了。
Al：0.005～0.039％，合理控制Al含量，Al以碳氮化合物或固溶状态存在。Al与N形成极稳定的间隙相，并以细小质点存在，产生弥散强化效果。AlN可有效阻止奥氏体晶粒粗化，提高钢的韧性。
Nb：0.010～0.050％，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了。
Cu：0.01～0.30％，能够提高钢的组织均匀性，加入太低作用不明显，加入太多会增加钢的脆性。
Ni：3.20～3.80％，配合Cu加入，可以提高钢的低温韧性，加入太低或太高，作用不明显。
S：≤0.008％，合理控制其含量，否则会增加硫化物含量，影响钢的低温韧性。
P：≤0.015％，合理控制其含量，否则会增加组织偏析，影响钢的低温韧性。
O：≤0.01％，合理控制其含量，否则将大大提高脆性转变温度，降低塑性，同时氧在金属基体中形成夹杂物，降低钢的纯净度。
N：≤0.004％，合理控制其含量，否则低温韧性不稳定且低温冲击值偏低，即韧性储备偏低。
Ca/S≥1，可以使夹杂物球化，提高钢的低温韧性。
本发明除控制碳当量保证力学性能外，通过采用微量元素钒、铌、钛、铝来细化晶粒，通过加入适量的铜，来提高钢的组织均匀性，减轻带状，通过加入适量的Mo提高钢的强度，从而提高钢的屈服强度和低温韧性。
目前国内乙烯裂解装置用-80℃～-101℃低温段用管主要采用TP304不锈钢，存在因屈服强度低而造成的多余的能量损耗问题，本钢种可以在合金成本相对低的情况下推广应用，而且不存在多余的能量损耗问题，可以满足低温装置安全运行的要求，同时，在现有钢管制造装备条件下也便于组织生产。
日本住友钢管微量元素不多，从实物剖析来看，它应该是从选矿开始并依靠炼钢装备来实现产品的纯净度，进而保证产品的低温韧性。尽管日本产品没有添加过多的微量元素，但是选矿的成本其实高于添加微量元素。
本发明在Ni系钢的基础上添加一定量的Mo、Cu，合理控制V、Nb、Ti、Al微量元素，通过控制再加热炉的温度来控制终轧温度，并控制冷却速度，在适当的正火+回火工艺制度下确保所有合金元素分别起到强化和细化晶粒作用，保证组织均匀性，减轻组织偏析，使产品在焊接后完全满足低温装置用管在运行过程中对强度和低温韧性的要求。
具体实施方式
下面通过实施例和比较例进一步详细说明本发明钢种的特点与优点。
本发明的实施例1～8与日本住友无缝钢管就化学成分、力学性能及低温韧性进行对比，其化学成分见表1，力学性能见表3，低温韧性见表4。，
本发明的实施例的制备工艺为：
由连铸或连轧得到的管坯在1180～1280℃经环形加热炉加热，例如1260℃，然后，使管坯经奥氏体化后，得到均匀细小的单相奥氏体组织。
在单相组织条件下，经穿孔机穿孔，然后在950～1050℃，具体如约1030℃轧管，脱棒后进入再加热炉，在850～1000℃保温，具体如约950℃，然后，进入张力减径机或延伸机轧制后空冷，冷却速度控制为10～30℃/分，具体如27℃/分。
在800～900℃保温进行正火，然后在600℃～700℃保温进行回火制成成品管。具体正火和回火热处理制度见表2。
表1